专利名称：用于涡轮钻具的径向滑动轴承的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石油、矿山、煤田、气田等领域用井下动力钻具，尤其是一种结构简单、使用寿命长的摩擦副表面镶嵌有硬质合金块的涡轮钻具的径向滑动轴承，属于机械制造技术领域。
背景技术：
众所周知，涡轮钻具是工业应用最早的一种井下液动马达，其作用是将工作液的液体压力能量转变为机械能量，驱动钻头转动以破碎井底岩石。从历史上看，涡轮钻具在前苏联一直作为其石油工业主要的钻井工具，涡轮钻井进尺占总钻井进尺80%以上。而目前涡轮钻具依然是俄罗斯及西方发达国家石油矿场常用的一种井下动力钻具。我国20世纪 50年代从前苏联引进涡轮钻具生产技术后，发展缓慢，未能在工矿现场得到很好应用，其重要原因之一是由于涡轮钻具具有转速高、扭矩小、压降高，型号单一，维修寿命短等技术缺陷，与我国钻井装备与工具发展水平不相适应。涡轮钻具维修时主要是更换径向滑动轴承与轴向止推轴承。当时从前苏联引进的涡轮钻具径向滑动轴承摩擦副都是采用硬-软配对方式，请参见图1至图3，分别为现有涡轮钻具的径向滑动轴承的结构剖视图，现有的涡轮钻具的径向滑动轴承的静环(外环)的结构示意图，以及现有的涡轮钻具的径向滑动轴承的动环(内环)的结构示意图。如图所示，现有的涡轮钻具的径向滑动轴承100包括静环101及动环102，所述静环101套装于所述动环102的外部；静环101，即滑动轴承的外环由外至内依次包括外圈 103、隔板104、本体105及橡胶衬套106，其中，外圈103与本体105通过隔板104焊接在一起；橡胶衬套106间隔镶嵌在本体105内表面，其硬度较低(肖氏硬度75 80)。橡胶衬套 106的内表面设有轴向沟槽，钻井液流过轴向沟槽时对轴承进行冷却和润滑。动环102，即滑动轴承的内环采用合金钢材料制成，其摩擦工作表面经渗碳或渗氮处理，硬度较高(布氏硬度HB = 270 观8)。静环101与动环102套装在一起，动环102的外表面与静环101 的橡胶衬套106的内表面相对滑动，从而形成了硬-软配对(金属-橡胶配对)的径向滑动轴承的滑动副。但现有的涡轮钻具的径向滑动轴承仍存在有以下不足之处1、由于采用硬-软配对方式，导致机械摩擦损失大，效率低；2、现有的径向滑动轴承在含砂的钻井液中工作寿命低，需要经常更换，设备的维护成本高。3、随着井深的增加，地层温度逐渐升高，当地层温度超过120°C 150°C时，涡轮钻具的金属-橡胶配对的径向滑动轴承的摩擦热不能及时被带走，橡胶衬套会很快硬化变脆而失效，可靠性较差，从而导致现有采用硬-软配对方式的径向滑动轴承的涡轮钻具不适合深井超深井或高温高压井钻探。有鉴于上述现有技术存在的缺点，本发明人基于从事相关科研及现场经验和专业知识，积极加以改进和创新，以期实现一种能够具有较强的耐磨性、延长使用寿命、防止轴承在使用时温度过高、可适用于深井和高温高压井钻探的用于涡轮钻具的径向滑动轴承。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有较强的耐磨性、较长的使用寿命、可有效的预防轴承在使用时温度过高、可适用于深井和高温高压井钻探的用于涡轮钻具的径向滑动轴承。为达到上述目的，本发明提出一种用于涡轮钻具的径向滑动轴承，包括钢质静环和钢质动环，所述静环套装于所述动环的外部，在所述静环的内表面上镶嵌设有由若干个硬质合金块间隔排列构成的第一滑动接触层，在所述动环的外表面上镶嵌设有由若干个硬质合金块间隔排列构成的第二滑动接触层，所述第一滑动接触层与所述第二滑动接触层相对设置形成滑动配合。如上所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其中，所述静环的内表面与所述第一滑动接触层之间通过粘结剂相连接；所述动环的外表面与所述第二滑动接触层之间也通过粘结剂相连接。如上所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其中，所述第一滑动接触层的相邻的所述硬质合金块之间通过粘结剂相连接；所述第二滑动接触层的相邻的所述硬质合金块之间也通过粘结剂相连接。如上所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其中，所述粘结剂为WC与铜合金复合材料粘结剂。如上所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其中，所述硬质合金块的纵向截面的形状为矩形或三角形或菱形。如上所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其中，所述第一滑动接触层的所述若干个硬质合金块均勻的分布于所述静环的内表面上，所述第一滑动接触层的所述若干个硬质合金块的表面积的总和为所述静环的内表面面积的70% 80% ；相应的，所述第二滑动接触层的所述若干个硬质合金块均勻的分布于所述动环的外表面上，所述第二滑动接触层的所述若干个硬质合金块的表面积的总和为所述静环的内表面面积的70% 80%。如上所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其中，所述第一滑动接触层的硬质合金块及所述第二滑动接触层的硬质合金块均呈矩阵排列而形成网格状。如上所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其中，在所述静环与所述动环其中之一上沿轴向开设有工作液流道。如上所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其中，在所述静环的外表面与其内表面之间沿轴向开设有多条贯通的所述工作液流道，多条所述工作液流道沿所述静环横截面的周向均勻布设。如上所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其中，在所述动环的外表面与其内表面之间沿轴向开设有多条贯通的所述工作液流道，多条所述工作液流道沿所述动环横截面的周向均勻布设。与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点1、本发明通过在静环内表面和动环外表面上镶嵌耐磨材料制成的硬质合金块，硬质合金块均勻排布构成了合金钢的滑动轴承摩擦副工作表面的第一滑动接触层及第二滑动接触层，硬质合金块具有一定面积和厚度，具有良好的承载与抗磨能力。2、由于同一滑动接触层内的硬质合金块之间及其与静环或动环钢体均通过WC与
4铜合金复合材料相连接，从而具有一定的抗冲击能力。由于硬质合金硬度极高OHRA89)， 这样一副硬 硬滑动轴承具有极强的耐磨性，与现有技术中采用的金属 橡胶径向滑动轴承相比，本发明大幅度提高了涡轮钻具径向滑动轴承在钻井泥浆冷却润滑条件下的使用寿命。3、本发明在静环或动环上开设有轴向的工作液流道，使得轴承摩擦热能被工作液及时带走，降低了轴承温度，有效的预防了轴承温度过高，提高了轴承可靠性并相应延长了涡轮钻具的使用寿命。4、由于本发明的各部件全部采用抗温性能好的金属或合金材料，因此大大拓展了涡轮钻具在深井超深井和高温高压井钻探中的应用范围。
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，图1为现有涡轮钻具的径向滑动轴承的结构剖视图；图2为现有的涡轮钻具的径向滑动轴承的静环(外环)的结构示意图；图3为现有的涡轮钻具的径向滑动轴承的动环(内环)的结构示意图；图4为本发明用于涡轮钻具的径向滑动轴承实施例一的剖视结构示意图；图5为本发明的实施例一的静环(外环)的俯视结构示意图；图6为本发明的实施例一的动环(内环)的剖视结构示意图；图7为本发明用于涡轮钻具的径向滑动轴承实施例二的剖视结构示意图；图8为本发明的实施例二的动环(内环)的俯视结构示意图；图9为本发明的实施例二的静环(外环)的剖视结构示意图；图10为本发明的硬质合金块分布的实施例一的结构示意图；图11为本发明的硬质合金块分布的实施例二的结构示意图；图12为本发明的硬质合金块分布的实施例三的结构示意图；图13为本发明的硬质合金块分布的实施例四的结构示意图。附图标记说明现有技术100-滑动轴承；101-静环；102-动环；103-外圈；104-隔板；105-本体；106-橡
胶衬套。本发明1-静环；2-动环；3-工作液流道；4-第一滑动接触层；41-第一滑动接触层的硬质合金块；5-第二滑动接触层；51-第二滑动接触层的硬质合金块；6-粘结剂。
具体实施例方式为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照
本发明的具体实施方式
。实施例一请参考图4至图6，分别为本发明用于涡轮钻具的径向滑动轴承实施例一的剖视结构示意图；本发明的实施例一的静环的俯视结构示意图；以及本发明的实施例一的动环的剖视结构示意图。如图所示，本发明提出了一种用于涡轮钻具的径向滑动轴承，包括钢质静环1 (即外环)和钢质动环2(即内环)，所述静环1套装于所述动环2的外部，在所述静环1的内表面上镶嵌设有第一滑动接触层4，该第一滑动接触层4由若干个硬质合金块41 间隔排列构成；在所述动环2的外表面上镶嵌设有第二滑动接触层5，该第二滑动接触层5 由若干个硬质合金块51间隔排列构成，所述第一滑动接触层4与所述第二滑动接触层5相对设置而形成滑动配合，即第一滑动接触层4的硬质合金块41与第二滑动接触层5的硬质合金块51之间能够产生滑动摩擦，构成了硬-硬滑动配合。在本实施例中，硬质合金块51 采用YG8硬质合金材料，以满足硬度、耐磨强度的要求，但本发明也不限于此，本发明的硬质合金块51还可以采用其他已有的硬质合金材料，只要保证硬质合金块51的硬度和耐磨强度要求即可。本发明采用硬质合金块作为轴承滑动摩擦的工作面，形成硬-硬滑动轴承。 与现有的硬-软配合的滑动轴承相比。本发明的硬质合金硬度极高OHRA89)，具有良好的承载与耐磨性能，在涡轮钻井泥浆冷却润滑条件下具有较长的使用寿命，降低了设备维护及更换成本。进一步的，如图4、10至13所示，所述静环1的内表面与所述第一滑动接触层4的各个硬质合金块41之间通过粘结剂6相连接；所述动环2的外表面与所述第二滑动接触层 5的各个硬质合金块51之间也通过粘结剂6相连接。所述第一滑动接触层4的相邻的所述硬质合金块41之间通过粘结剂6相连接；所述第二滑动接触层5的相邻的所述硬质合金块51之间也通过粘结剂6相连接。优选地，所述粘结剂6采用WC与铜合金复合材料粘结剂。但本发明也不限于此，本发明也可以采用其它公知的粘结剂，只要能够保证硬质合金块与静环1的内表面及动环2的外表面，以及同一滑动接触层的硬质合金块之间连接牢固可靠即可。进一步的，请参考图10至13，分别为本发明的硬质合金块分布的实施例一至实施例四的结构示意图。如图10所示，所述硬质合金块41、51的纵向截面的形状为矩形，且硬质合金块41、51沿平行于轴向呈矩阵状排列，使得硬质合金块41、51形成均勻且不连续的网格状分布，在同一表面相邻的硬质合金块之间填充有粘结剂6，从而形成第一滑动接触层 4、第二滑动接触层5，使得滑动轴承抗冲击载荷效果良好，且在泥浆冷却润滑条件下具有较长的工作寿命。如图11所示，所述硬质合金块41、51的纵向截面的形状也为矩形，不同的是，硬质合金块41、51沿倾斜于轴向呈矩阵状排列，从而形成网格状的第一滑动接触层4和第二滑动接触层5。如图12所示，所述硬质合金块41、51的纵向截面的形状为三角形，且相邻的三角形硬质合金块相位相反并依次交叉设置，形成均勻且不连续的网格状排列，从而形成第一滑动接触层4、第二滑动接触层5，提高了滑动轴承的抗冲击载荷效果。同一排的三角形硬质合金块处于同一水平线上。如图13所示，所述硬质合金块41、51的纵向截面的形状也为三角形，且相邻的三角形硬质合金块相位相反并依次交叉设置，形成均勻且不连续的网格状排列，从而形成第一滑动接触层4、第二滑动接触层5。不同是，同一排的相位不同的三角形硬质合金块具有一定高度差，从而进一步提高了滑动轴承抗冲击载荷的能力。但本发明的硬质合金块的形状也不限于矩形、三角形，还可以是菱形或其他正多边形或任何事宜的形状，只要能够形成能够产生相对滑动摩擦的第一滑动接触层4和第二滑动接触层5，达到滑动轴承抗冲击载荷效果良好，且在泥浆冷却润滑条件下具有较长的工作寿命的功效即可。进一步的，为了保证第一滑动接触层4和第二滑动接触层5具有足够的工作接触面，均勻分布于所述静环1的内表面上的各个硬质合金块表面积的总和为所述静环的内表面面积的70%以上，优选为70% 80% ；相对应地，均勻分布于所述动环的外表面上的各个硬质合金块表面积的总和为所述静环的内表面面积的70%以上，优选为70% 80%。这样，使得第一滑动接触层4和第二滑动接触层5之间具有足够的工作接触面，进一步保证了滑动轴承工作面的滑动配合。进一步的，在本实施例中，请参考图5、6，分别为本发明的实施例一的静环的俯视结构示意图；以及动环的剖视结构示意图。如图5所示，在所述静环1的外表面与其内表面之间沿轴向开设有多条贯通的工作液流道3，多条工作液流道3沿所述静环1横截面的周向均勻布设。这样，本发明滑动轴承的摩擦热能通过流过工作液流道3中的工作液及时带走，从而达到降低轴承温度，防止轴承温度过高的目的，本发明滑动轴承适于在深井超深井和高温高压井钻探中应用的涡轮钻具使用，大大拓展了涡轮钻具的应用范围。另外，在本发明中，所述硬质合金块41、51的厚度为1. 5mm 5mm，进一步保证了硬质合金块的硬度及耐磨性能。进一步的，所述第一滑动接触层4的相邻的硬质合金块41之间的间距为2. Omm 5. Omm,且所述第二滑动接触层5的相邻的硬质合金块51之间的间距为2. Omm 5. Omm,从而进一步保证第一滑动接触层4与第二滑动接触层5具有足够的接触面积。进一步的，所述静环1上的第一滑动接触层4与所述动环2上的第二滑动接触层 5之间的径向间隙为0. 15mm 0. 95mm,工作面长度为50mm 300mm，从而保证静环1与动环2之间的滑动配合。实施例二请参考图7至图9，分别为本发明实施例二的剖视结构示意图；本发明的实施例二的动环的俯视结构示意图；本发明的实施例二的静环的剖视结构示意图。如图所示，本实施例与上述实施例一的结构和功能基本相同，因此相同的部件以相同的标号表示，且不再重复赘述。实施例与上述实施例一的不同之处在于，在所述动环 2的外表面与其内表面之间沿轴向开设有多条贯通的工作液流道3，多条所述工作液流道3 沿所述动环2横截面的周向均勻布设。这样，当工作液流经动环2的工作液流道3时，能够及时带走滑动轴承的摩擦热能，从而达到降低轴承温度，防止轴承温度过高的目的，本发明滑动轴承适于在深井超深井和高温高压井钻探中应用的涡轮钻具使用，大大拓展了涡轮钻具的应用范围。另外，在本发明中，工作液流道3是通过在静环1或动环2上经钻孔、铣削加工而成的。综上所述，本发明通过在静环内表面和动环外表面上镶嵌耐磨材料制成的硬质合金块，硬质合金块均勻排布构成了合金钢的滑动轴承摩擦副工作表面的第一滑动接触层及第二滑动接触层，硬质合金块具有一定面积和厚度，具有良好的承载与抗磨能力。并且，同一滑动接触层内的硬质合金块之间及其与静环或动环均通过WC与铜合金复合材料相连接，从而具有一定的抗冲击能力。由于硬质合金硬度极高O HRA89)，这样一副硬 硬滑动轴承具有极强的耐磨性，与现有技术中采用的金属 橡胶径向滑动轴承相比，本发明大幅度提高了在涡轮钻井泥浆冷却润滑条件下的使用寿命。此外，本发明在静环或动环上开设有轴向的工作液流道，使得轴承摩擦热能被工作液及时带走，降低了轴承温度，以防止轴承温度过高。另外，由于本发明的各部件全部采用抗温性能好的金属或合金材料，因此大大拓展了涡轮钻具在深井超深井和高温高压井钻探中的应用范围。 以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式
，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种用于涡轮钻具的径向滑动轴承，所述径向滑动轴承包括钢质静环和钢质动环， 所述静环套装于所述动环的外部，其特征在于，在所述静环的内表面上镶嵌设有由若干个硬质合金块间隔排列构成的第一滑动接触层，在所述动环的外表面上镶嵌设有由若干个硬质合金块间隔排列构成的第二滑动接触层，所述第一滑动接触层与所述第二滑动接触层相对设置形成滑动配合。
2.如权利要求1所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其特征在于，所述静环的内表面与所述第一滑动接触层之间通过粘结剂相连接；所述动环的外表面与所述第二滑动接触层之间也通过粘结剂相连接。
3.如权利要求2所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其特征在于，所述第一滑动接触层的相邻的所述硬质合金块之间通过粘结剂相连接；所述第二滑动接触层的相邻的所述硬质合金块之间也通过粘结剂相连接。
4.如权利要求3所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其特征在于，所述粘结剂为WC与铜合金复合材料粘结剂。
5.如权利要求1所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其特征在于，所述硬质合金块的纵向截面的形状为矩形或三角形或菱形。
6.如权利要求1所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其特征在于，所述第一滑动接触层的所述若干个硬质合金块均勻的分布于所述静环的内表面上，所述第一滑动接触层的所述若干个硬质合金块的表面积的总和为所述静环的内表面面积的70% 80% ；相应的，所述第二滑动接触层的所述若干个硬质合金块均勻的分布于所述动环的外表面上，所述第二滑动接触层的所述若干个硬质合金块的表面积的总和为所述静环的内表面面积的70% 80%。
7.如权利要求1所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其特征在于，所述第一滑动接触层的硬质合金块及所述第二滑动接触层的硬质合金块均呈矩阵排列而形成网格状。
8.如权利要求1至7中任一项所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其特征在于，在所述静环与所述动环其中之一上沿轴向开设有工作液流道。
9.如权利要求8所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其特征在于，在所述静环的外表面与其内表面之间沿轴向开设有多条贯通的所述工作液流道，多条所述工作液流道沿所述静环横截面的周向均勻布设。
10.如权利要求8所述用于涡轮钻具的径向滑动轴承，其特征在于，在所述动环的外表面与其内表面之间沿轴向开设有多条贯通的所述工作液流道，多条所述工作液流道沿所述动环横截面的周向均勻布设。
全文摘要
本发明公开了一种用于涡轮钻具的径向滑动轴承，包括钢质静环和钢质动环，所述静环套装于所述动环的外部，在所述静环的内表面上镶嵌设有由若干个硬质合金块间隔排列构成的第一滑动接触层，在所述动环的外表面上镶嵌设有由若干个硬质合金块间隔排列构成的第二滑动接触层，所述第一滑动接触层与所述第二滑动接触层相对设置形成滑动配合。本发明具有较强的耐磨性，并大幅度延长了使用寿命，且可防止轴承在使用时温度过高，可适用于深井和高温高压井钻探等恶劣工况下使用。
文档编号F16C37/00GK102182751SQ20111010193
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月22日 优先权日2011年4月22日
发明者谭春飞 申请人:中国石油大学(北京)